CN110173254A - 一种井下双筒单级调节式气液分离器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于油田开采技术领域，公开了一种井下双筒单级调节式气液分离器，由相互套设的外筒体和内筒体构成，内筒体内部设置叶轮和排液区段；外筒体顶部的气相引出口下方设置分离挡板，内筒体和气相引出口之间设置重力分离腔室；外筒体下部侧壁设置液相引出口，控制器获取差压传感器实时测定的压差，并将实时测定的压差与设定压差比较，通过比较结果驱动电机控制液相引出口的大小。本发明通过叶轮和排液区段的配合实现一次分离，依靠重力分离腔室实现二次分离；利用分离挡板实现三次分离；有机结合了离心分离、重力分离、碰撞分离三种分离原理，体积小、结构紧凑，可在较宽的气相和液相流程下实现气液混合物的高效分离。
Description
技术领域
本发明涉及油田开采技术领域，具体的说，是涉及一种井下气液分离装置。
背景技术
海上油田高气液比油井(含气含量＞60％)面临常规电泵井举升效率低，严重时发生“气锁”，影响油井正常生产等问题。目前海上油田高气液比油井常用的举升方法有以下三种：1)常规气液分离器适用于泵吸入口处气体含量＜30％的井况；2)气体分离大师可处理泵吸入口处气体含量30％-50％的井况，当气体含量增加分离效率下降明显；3)气体处理器通过井下增压将气体压缩并溶解在原油中，适用于含油率＞80％的井况。据不完全统计，现有技术可处理气体含量为0％-60％的井况，而气体含量高于60％的井况尚未有较好的解决办法。
井下气液分离是一种新型的适用于高气液比油井井下气液处理的方式，它将气液分离器安装在电泵吸入口以下，地层产出液通过气液分离器实现气液分离。分离后的液相通过常规电泵举升，分离后的气相利用自身气体能量自喷举升，从而极大的拓宽了常规电泵在高含气量油井井况中的应用范围，解决高气液比油井举升难题，降低油田的开发成本，延长油井的开采寿命。因此，近年来该技术引起了石油工业界的高度重视。
井下气液分离技术广泛应用于海上油气资源的开采过程中，研发一种体积小、结构紧凑，可在宽流程、多流型下高效运行的气液分离器具有重要意义。
目前已在实际工业生产中取得实际应用的气液分离器种类繁多，根据分离原理可分为以下几类：重力式气液分离器、离心式气液分离器、碰撞式气液分离器以及组合式气液分离器。重力式气液分离器是目前已经研究较为充分、发展十分成熟的分离器，其由于可靠性高、维护方便等优点而得到广泛应用，但受限于结构尺寸大、分离周期长、处理能力有限等缺陷。重力式气液分离器难以在空间狭小、对分离周期有较高要求等条件下使用(“一种三相盖腔重力分离器”，CN202315422U；A.Ghaffarkhah,M.Ameri Shahrabi,M.KeshavarzMoraveji,and H.Eslami,"Application of CFD for designingconventional three phase oilfield separator,"Egyptian Journal of Petroleum,vol.26,pp.413-420,2017.)。与重力式气液分离器类似，离心式分离器同样是目前已得到广泛运用的分离器，其由于结构紧凑、尺寸小等优点而得到广泛青睐。根据离心力的产生方式，可将离心式气液分离器分为轴流式和切向注入式两大类。切向注入式离心分离器通过将流体沿切向注入的方式产生离心力，其具有旋转强度高离心力强等特点，但受限于分离器结构布置方式，此类分离器内气芯不稳定、易发生振荡，限制了分离器分离效率的进一步提高(“旋流式气水分机”，CN2907905Y；Y.Su,A.Zheng and B.Zhao,"Numericalsimulation of effect of inlet configuration on square cyclone separatorperformance,"Powder Technology,vol.210,pp.293-303,2011.)。轴流式离心分离器利用叶轮等结构使气液混合物产生旋转运动，其具有湍流度低，分离器内气芯稳定等优点，但此类分离器目前的仅可在稳定流型下保持较高的分离效率，而在不稳定流型下分离效率则无法保证(“一种旋叶式小型汽泡分离装置”，CN103394213A，Z.Xiong,M.Lu,M.Wang,H.Gu,andX.Cheng,"Study on flow pattern and separation performance of air–water swirl-vane separator,"Annals of Nuclear Energy,vol.63,pp.138-145,2014.)。碰撞式气液分离器主要针对极高含气量下的气液混合物的分离而设计，此时液相主要以液滴的形式分布于气相，当含气量降低时容易产生二次携带的问题，分离效率无法得到保证(杜利鹏,张慧,田瑞峰.波形板汽水分离器内分离效率的影响因素分析[J].原子能科学技术,pp.1-6,2018-02-05 2018)。目前也存在一些组合式分离器，其虽结合了多种分离原理，但是结构过于复杂、可靠性较低、维护困难，难以在恶劣使用条件下的长期使用(“一种旋流式组合气液高效分离装置”，CN106492544A)。
在实际海上油气资源的开采过程中，往往面临使用条件恶劣，维护困难等问题，且气液混合物呈现产液变化范围较宽、含气率变化范围较大、存在多种流型等特点，特别是不稳定流型，这些都给现有的海上气液分离技术提出了新的挑战。
发明内容
本发明着力解决的是当前井下气液分离过程中分离器适用低含气率，产液量低、分离效率差、适用流型单一，特别是无法在震荡流型高效运行的技术问题，提供了一种井下双筒单级调节式气液分离器，其有机结合了离心分离、重力分离、碰撞分离三种分离原理，体积小、结构紧凑，可在较宽的气相和液相流程下实现气液混合物的高效分离。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种井下双筒单级调节式气液分离器，包括外筒体，所述外筒体的上端和下端分别设置有上接头和下接头，所述外筒体内部设置有由上到下依次连接的内筒体、桥式连接接头、中心管，所述中心管与所述下接头连接；
所述上接头设置有与所述外筒体内腔相连通的气相引出口，且所述气相引出口相对于所述上接头底面加长，以在所述气相引出口加长部与所述外筒体之间形成环空的凹槽区域；所述上接头下方通过挡板拉筋连接有分离挡板，所述分离挡板的外径大于所述气相引出口的内径；
所述内筒体的内部安装有叶轮，所述叶轮上方设置有排液区段，所述排液区段是在所述内筒体壁面上开设均匀布置的排液孔构成；所述内筒体的顶端与所述气相引出口之间设置有重力分离腔室；
所述上接头、所述桥式连接接头均与所述外筒体之间形成密封，所述桥式连接接头设置有桥式过流通道；所述外筒体下部侧壁设置有液相引出口，所述液相引出口与水咀相连通，所述水咀将由所述桥式过流通道引出的液相通过所述液相引出口排出；所述外筒体与所述中心管之间的环腔中设置有密封模块，所述液相引出口和所述水咀设置在所述密封模块所在位置或所述密封模块以上位置；
所述外筒体与所述中心管之间的环腔在所述密封模块以下的空间内设置有减速器、电机、取压管线、差压传感器、控制器；所述水咀通过所述减速器与所述电机连接，所述差压传感器和所述电机分别与所述控制器连接，所述差压传感器通过所述取压管线实时测定气液分离后气相和液相之间压差，所述控制器用于获取所述差压传感器实时测定的压差，并将实时测定的压差与设定压差比较，通过比较结果驱动所述电机控制所述水咀的开度大小，从而调节所述液相引出口的大小。
进一步地，所述分离挡板的外径为70mm-95mm。
进一步地，所述分离挡板为平面、波纹板或丝网。
进一步地，所述叶轮由一个轮毂以及3-5个叶片组成，叶片沿周向均匀分布于轮毂上；且每个叶片结构完全相同，叶片入口端的切线与所述内筒体的中心轴线平行，叶片出口端的切线与所述内筒体的中心轴线形成夹角。
进一步地，所述排液区段的排液孔的排布方式相邻两排排液孔错位间隔布置。
进一步地，所述排液区段与所述叶轮之间的距离为80mm-150mm。
进一步地，所述内筒体和所述外筒体之间设置有扶正块，所述扶正块设置于所述叶轮下方的高度处。
进一步地，所述下接头设置有外部电缆接头。
本发明的有益效果是：
本发明的井下双筒单级调节式气液分离器，利用双层套筒式结构，通过叶轮、排液区段、重力分离腔室、分离挡板的配合，有机结合了离心分离、重力分离、碰撞分离三种分离原理。气液混合物进入气液分离器后通过三次分离，可实现在宽流程、大含气量范围、多流型，特别是振荡流型下的气液混合物的高效分离。具体地，流体流经叶轮在旋转叶片导向作用下，流体由直线运动转变为旋转运动，并产生离心力，充分发展后气相聚集形成气芯，液相在气芯周围形成环形液膜，实现了第一次离心分离。气液混合物进入重力分离腔室，环形液膜中的剩余液体在离心力的作用下沿内筒体的内壁被抛向四周，在重力的作用下，液相进入内筒体与外筒体之间的环腔内，气相则继续向上运动，实现了第二次重力分离。受振荡和气体携带的影响，部分液体会到达外筒体顶部，分离挡板可通过碰撞分离，阻挡大部分到达分离器顶部的液体，防止其直接进入气相引出口，实现了第三次碰撞分离。
除此以外，本发明还具有以下优势：
1)当进入气液分离器的气液混合物的流型为不稳定流型时，内筒体与外筒体之间设置的扶正块可对内筒体起到固定支撑作用，避免由于内筒体的长期振荡使气液分离器的结构发生疲劳损坏；
2)叶轮与排液区段之间预留的间距可保证气液混合物经过叶轮后，先充分发展形成稳定环形液膜，再进入排液区段，避免过多的气相从排液孔排出；
3)分离挡板可避免在高含气量条件时，部分液体在气体的携带作用下直接进入气相引出口，从而进一步提高气液分离器的分离效率；
4)在高含量条件下，气相引出口的加长部可对部分由于气相携带作用而到达外筒体顶部的液体起到阻挡作用，保证气液分离器的高效运行；
5)通过差压传感器的实时监测，控制器根据测量值实时无级调控水咀开度，从而实时调节液相引出口大小，不仅确保气液分离器在高效分离区间运行，而且满足实时的高效分离状态需求。
综上所述，本发明的井下双筒单级调节式气液分离器可实现在宽流程(混合处理液量50m3/d-300m3/d)、高含气量范围(井下含气率高达45％-85％)、多流型特别是振荡流型下的气液混合物的高效分离(分离效率大于90％)。
附图说明
图1为本发明所提供的井下双筒单级调节式气液分离器的整体剖视结构示意图；
图2为图1中叶轮的结构示意图；其中(a)为主视图；(b)为俯视图；
图3为图1中排液区段的侧向展开图；
附图标注：1、上接头；2、气相引出口；3、挡板拉筋；4、分离挡板；5、外筒体；6、内筒体；7、重力分离腔室；8、排液区段；9、叶轮；10、扶正块；11、桥式连接接头；12、桥式过流通道；13、液相引出口；14、水咀；15、减速器；16、电机；17、取压管线；18、中心管；19、差压传感器；20、控制器；21、外部电缆接头；22、下接头。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本发明的一种实施例提供了一种井下双筒单级调节式气液分离器，主要包括上接头1、气相引出口2、挡板拉筋3、分离挡板4、外筒体5、内筒体6、重力分离腔室7、排液区段8、叶轮9、扶正块10、桥式连接接头11、桥式过流通道12、液相引出口13、水咀14、减速器15、电机16、取压管线17、中心管18、差压传感器19、控制器20、外部电缆接头21、下接头22。
外筒体5上端通过螺纹连接上接头1，上接头1与外筒体5之间设置密封圈形成密封。外筒体5下端通过螺纹连接下接头22，下接头22上端通过螺纹连接中心管18，中心管18上端通过螺纹连接桥式连接接头11，桥式连接接头11上端通过螺纹连接内筒体6，内筒体6、桥式连接接头11、中心管18均设置在外筒体5内部。
上接头1中心设置有气相引出口2，气相引出口2与外筒体5内腔连通，且气相引出口2相对于上接头1底面加长，从而在气相引出口2加长部与外筒体5之间形成环空的凹槽区域，该区域可对在高含量条件下，对部分由于气相携带作用而到达外筒体5顶部的液体起到阻挡作用。
上接头1下方设置有分离挡板4，分离挡板4通过挡板拉筋3连接于上接头1底部。分离挡板4的外径大于气相引出口2的内径，分离挡板4的外径根据气液分离器的使用条件以及待分离气液混合物的物性以及配比选择适当的值，一般在70mm-95mm的数值范围内选择。分离挡板4可选用平面、波纹板、丝网等分离部件。
内筒体6的中上部在内腔中安装有叶轮9，如图2所示，叶轮9由一个轮毂以及5个叶片组成，叶片沿周向均匀分布于轮毂上；且每个叶片结构尺寸完全相同，叶片入口端的切线与内筒体6的中心轴线平行，出口端的切线与内筒体6的中心轴线的夹角为60°。
内筒体6在叶轮9上方设置有排液区段8，排液区段8是在内筒体6侧壁上开设均匀布置的排液孔构成，排液区段8一般延伸至内筒体6顶端。如图3所示，排液区段8的排液孔的排布方式为三角形排布，即相邻两排排液孔错位间隔布置。排液孔的开孔直径与开孔数目可根据待分离流体的物性以及配比选择适当的值，排液孔直径一般为8mm-10mm。通常，排液区段8与叶轮9之间的距离为80mm-150mm，该距离可保证气液混合物经过叶轮9后，先充分发展形成稳定环形液膜，再进入排液区段8，避免过多的气相从排液区段8的排液孔排出。
内筒体6的顶端与气相引出口2之间设置有450mm-600mm的距离，该距离所形成的外筒体5内腔空间为重力分离腔室7，重力分离腔室7用于使离心分离后的气液混合物进一步在重力的作用下，液相进入内筒体6与外筒体5之间的环腔内，气相继续向上运动。
内筒体6和外筒体5之间设置有扶正块10，扶正块10一般设置于叶轮9下方的高度处。
连接于内筒体6和中心管18之间的桥式连接接头11与外筒体5之间形成密封，桥式连接接头11设置有桥式过流通道12，用于将混合液气液分离后的液相在重力作用下流经桥式过流通道12，直至回落到达环腔底部水咀14处。
外筒体5下部侧壁设置有液相引出口13，液相引出口13与水咀14相连通，水咀14将由桥式过流通道12引出的液相通过液相引出口13排出。外筒体5与中心管18之间的环腔中设置有密封模块，密封模块防止液相进入其下方的电器区域。液相引出口13和水咀14设置在密封模块所在位置或密封模块以上位置。
外筒体5与中心管18之间的环腔在密封模块以下的空间内设置有减速器15、电机16、取压管线17、差压传感器19、控制器20。水咀14通过减速器12与电机16连接，电机16的转速可以控制水咀14的开度大小。差压传感器19和电机16分别与控制器20连接，差压传感器19的取压管线一端设置在桥式连接接头11和液相引出口13之间，另一端设置在重力分离腔室7上部；差压传感器19通过取压管线17实时测定外筒体5和内筒体6环形空间气液分离后气相和液相之间的压差。下接头22还设置有外部电缆接头21，外部电缆接头21用于连接控制电缆，实现地面操作系统与井下的控制器20的连接。控制器20获取差压传感器19实时测定的压差，将实时测定的压差与理论计算最优的设定压差比较，通过比较结果驱动电机16控制水咀14的开度大小，从而调节液相引出口13的大小，满足实时的高分离状态需求。液相引出口13采用无极调节方式，可以对气、液相流量进行无极调节，满足分离器各种工作状态下使用要求。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种井下双筒单级调节式气液分离器，包括外筒体，所述外筒体的上端和下端分别设置有上接头和下接头，其特征在于，所述外筒体内部设置有由上到下依次连接的内筒体、桥式连接接头、中心管，所述中心管与所述下接头连接；
所述上接头设置有与所述外筒体内腔相连通的气相引出口，且所述气相引出口相对于所述上接头底面加长，以在所述气相引出口加长部与所述外筒体之间形成环空的凹槽区域；所述上接头下方通过挡板拉筋连接有分离挡板，所述分离挡板的外径大于所述气相引出口的内径；
所述内筒体的内部安装有叶轮，所述叶轮上方设置有排液区段，所述排液区段是在所述内筒体壁面上开设均匀布置的排液孔构成；所述内筒体的顶端与所述气相引出口之间设置有重力分离腔室；
所述上接头、所述桥式连接接头均与所述外筒体之间形成密封，所述桥式连接接头设置有桥式过流通道；所述外筒体下部侧壁设置有液相引出口，所述液相引出口与水咀相连通，所述水咀将由所述桥式过流通道引出的液相通过所述液相引出口排出；所述外筒体与所述中心管之间的环腔中设置有密封模块，所述液相引出口和所述水咀设置在所述密封模块所在位置或所述密封模块以上位置；
所述外筒体与所述中心管之间的环腔在所述密封模块以下的空间内设置有减速器、电机、取压管线、差压传感器、控制器；所述水咀通过所述减速器与所述电机连接，所述差压传感器和所述电机分别与所述控制器连接，所述差压传感器通过所述取压管线实时测定气液分离后气相和液相之间压差，所述控制器用于获取所述差压传感器实时测定的压差，并将实时测定的压差与设定压差比较，通过比较结果驱动所述电机控制所述水咀的开度大小，从而调节所述液相引出口的大小。
2.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述分离挡板的外径为70mm-95mm。
3.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述分离挡板为平面、波纹板或丝网。
4.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述叶轮由一个轮毂以及3-5个叶片组成，叶片沿周向均匀分布于轮毂上；且每个叶片结构完全相同，叶片入口端的切线与所述内筒体的中心轴线平行，叶片出口端的切线与所述内筒体的中心轴线形成夹角。
5.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述排液区段的排液孔的排布方式相邻两排排液孔错位间隔布置。
6.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述排液区段与所述叶轮之间的距离为80mm-150mm。
7.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述内筒体和所述外筒体之间设置有扶正块，所述扶正块设置于所述叶轮下方的高度处。
8.根据权利要求1所述的一种井下双筒单级调节式气液分离器，其特征在于，所述下接头设置有外部电缆接头。
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